Gasturbinen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, erzeugen rund 22 Prozent des globalen Stroms und sind gleichzeitig für 15 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Wasserstoff gilt als mögliche CO2-freie Alternative zu den fossilen Brennstoffen.
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien GmbH, der East China University of Science and Technology sowie der Hunan University hat nun untersucht, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Nickelbasis-Superlegierungen auswirkt. Das ist der Werkstoff, aus dem Turbinenschaufeln bestehen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Methanbildung verstärkt Wasserstoffversprödung
Das zentrale Ergebnis: Bei erhöhten Temperaturen versprödet der Turbinenwerkstoff mindestens doppelt so schnell wie bei Raumtemperatur. Dringe Wasserstoff bei Raumtemperatur in eine Nickelbasis-Superlegierung ein, setze er sich in der Regel an Grenzflächen und Versetzungen fest und führe zur Versprödung, erklärte Dr. Xizhen Dong, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien und eine der Autorinnen der Studie.
Bei erhöhten Temperaturen würde laut Dong noch ein weiterer Effekt hinzukommen. Wasserstoff dringe in die Karbide, die eigentlich für die Festigkeit des Werkstoffs verantwortlich sind, und verbinde sich dort mit Kohlenstoff. Wasserstoff und Kohlenstoff würden zu Methan reagieren, welches einen hohen lokalen Druck auf die Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix ausübe und so schneller zu Materialversagen führe.
Schädigung tritt nur bei 400 Grad Celsius auf
Dong und ihr Team untersuchten, wie sich Wasserstoff auf Nickelbasis Superlegierungen bei Temperaturen zwischen 400 und 1000 Grad Celsius auswirkt. Mithilfe der Atomsonde analysierten sie den Werkstoff auf atomarer Ebene und simulierten zudem die Bildung von Methan mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie.
Dabei konnten sie zeigen, dass wasserstoffbedingte Schädigungen aufgrund thermodynamischer Bedingungen ausschließlich bei 400 Grad Celsius auftreten. Denn nur bei dieser Temperatur sei die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan thermodynamisch begünstigt. Oberhalb von 400 Grad Celsius wurde hingegen keine Methanbildung beobachtet.
Dieses Ergebnis ist laut Professor Dr.-Ing. habil. Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien und einer der Studienautoren, insbesondere für Gasturbinen in der Energieerzeugung sowie für Flugtriebwerke bedeutend: „Im Gegensatz zu stationären Dampfturbinen, die dauerhaft bei sehr hohen Temperaturen laufen, werden Gasturbinen häufig an- und abgeschaltet. Dadurch sind sie einem deutlich größeren Temperatur- und Belastungsspektrum ausgesetzt und genau in diesem Bereich kann wasserstoffbedingte Versprödung verstärkt auftreten.“
Werkstoffe müssen angepasst werden
Für den Betrieb von Gasturbinen mit Wasserstoff sehen die Forschenden zwei mögliche Wege. Entweder müssten alternative Verfestigungsmechanismen gefunden werden. Eine andere Möglichkeit wäre es, die bestehenden Werkstoffe anzupassen. Dabei gehe es darum, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Versprödung zu erzielen.
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